控制系统设计专题(一)——PID控制算法
控制系统设计专题(一)——PID控制算法
- 一. 前言
- 二. PID控制算法原理
- 比例控制算法(P)
- 比例-积分控制算法(PI)
- 比例-微分控制算法(PD)
- 比例-积分-微分控制算法(PID)
- 三. PID控制算法的几个主要问题
- 四. 总结
- reference
遥远的乌托邦
浙江大学 空天信息技术硕士
一. 前言
PID控制算法是工业控制领域数十年来应用最广泛的经典控制算法之一,其理论原理易于理解,算法结构简单,易于工程实现,这也是其受到工程师们青睐的重要原因。
尽管算法原理简单,其参数整定难度却因被控对象而异,不同工程师对同一被控对象整定出的PID参数也各不相同。这对PID控制算法的理解以及工程经验提出了很高的要求。本篇将从PID控制算法展开,针对PID控制算法的几个主要问题进行探讨。
二. PID控制算法原理
PID控制算法,是指由比例项(P-Proportional),积分项(I-Intergral),微分项(D-Derivative)的全部或部分组合的一种控制算法。它即可以适用于模型已知的被控对象,也可以用于模型未知的被控对象。本文以simulink仿真的形式说明PID控制算法的原理,具体的simulink模型如图1所示,实验中使用单位阶跃信号作为给定输入信号。
图1 simulink仿真模型
常用的PID控制算法主要分为:
比例控制算法(P)
该控制器由单一的比例环节组成,当输入单位阶跃信号时,其响应如图2所示。我们可以看到,纯比例控制器控制下的实验对象,存在稳态误差,当比例项系数增大时,该稳态误差会逐渐减小,但无法完全消除,这也是P控制器的弊端之一。
该控制器通常用于伺服系统,作为控制结构中的外环路控制器,例如多旋翼飞行器姿态控制回路中的角度外环,往往采用纯比例控制器进行闭环控制。
比例-积分控制算法(PI)
为了消除稳态误差,我们引入了比例环节,组成了比例-积分控制器,其单位阶跃响应如图3所示。该实验在比例项系数不变的情况下,增加了积分环节,可以看到,稳态误差被消除了,然而,其超调量增加了。引入积分项后,确实提高了稳态精度,然而,系统的动态响应受到影响。
该控制器常用于部分电机控制的速度环路,或其他对于稳态精度较高的被控对象。
比例-微分控制算法(PD)
为了提高控制器的动态响应速度,引入了比例-微分控制器,如图4所示为PD控制器的单位阶跃响应。由图可知,加入微分项改善了系统的动态性能,减小了超调量,缩短了系统进入稳态的时间。
该控制器主要用于对动态性能要求较高的被控对象。
比例-积分-微分控制算法(PID)
PID控制器则综合了比例-积分-微分三项,其单位阶跃响应如图5所示。通过整定合适的PID参数,能够兼顾动态性能与稳态性能。该控制器适用于几乎所有被控对象。实际工程使用当中由于被控对象模型的不同,参数整定的难度也不尽相同。
三. PID控制算法的几个主要问题
尽管PID能够满足许多工程领域的控制性能指标,然而,在实际使用过程中,我们发现了许多问题:
积分饱和现象
积分项的引入能够消除稳态误差,然而,其对于系统动态性能的影响也是不可忽视的。最常见的如积分饱和现象,就是一种典型的负面影响。
那么究竟什么是积分饱和现象?
当控制器持续无法消除误差时,积分项将持续向某一方向增大,直至达到限幅值;此时,若误差与积分项符号相反,积分项则严重影响到整个控制器的输出,从而导致被控对象动态性能下降,出现如滞后甚至震荡的现象。
对于许多系统而言,积分饱和现象是十分危险的,对于该现象,我们往往采用以下几种解决方法:
- 积分限幅法
该方法通过对积分项设置上下限的方式,降低积分项在整个控制器输出当中的权重,以减轻积分饱和现象带来的负面影响。
- 积分分离法
该方法对误差设置阈值,当误差大于设定阈值时,将积分项从PID控制器中分离,该方法可能存在控制输出突变的情况。
- 变速积分法
该方法对积分项线性积分的方式采用非线性函数进行替换,使得积分项在不同的误差区间的积分速度发生改变,以适应不同的被控对象特性。
- 遇限削弱积分法
该方法当控制器输出达到设定阈值时,不再对其进行积分,只有当积分项减小时,才继续进行积分。这样既能使得积分项起到应有的作用,又能减小超调量。
微分信号的生成问题
离散微分信号的生成往往通过差分来近似。然而,由于差分信号容易将噪声一起放大,从而导致这样计算的微分信号信噪比下降,这对于微分控制非常不利。因此,我们可以通过跟踪微分器的方式生成微分信号,具体的推导和原理将在下一篇进行详解。
线性组合问题
PID控制器往往采用线性组合的方式,然而,对于不同的被控对象,线性组合并不一定是最佳组合方式,往往通过选用不同的非线性函数替代经典的线性组合方式,以求达到更优的控制品质。
误差信号跳变问题
尽管反馈信号往往不存在跳变的情况,但给定信号却无法避免跳变。同时,误差信号的计算通过作差得到,这导致了误差信号也是存在跳变现象的。
由于执行机构无法瞬间响应跳变误差信号,对于某些被控对象而言,跳变的误差信号相当于一次极大的冲击,对于被控对象而言不利。因此,我们需要对误差信号进行处理,避免控制器直接对跳变信号进行反馈,这里往往通过安排过渡过程的方式解决该问题,具体的原理将在下篇进行阐述。
四. 总结
PID控制算法作为经典控制理论的标杆算法,至今依然被广泛应用于各个工程领域,相信未来依然会是应用最广泛的控制算法之一。本篇对PID控制算法原理及其主要存在的问题进行了阐述,对于PID控制算法的改进方法,将在下一篇中详细展开。
reference
1.知乎 遥远的乌托邦 控制系统设计专题(一)——PID控制算法
作者简介: 一个被Coding耽误的无人机算法工程师,控制、导航略懂一二,热衷技术,喜欢乒乓、音乐、电影,欢迎交流。
微信公众号:@遥远的乌托邦
github
控制系统设计专题(一)——PID控制算法相关推荐
- 控制系统设计专题(四)——控制分配矩阵的求解及相关问题
前言 前一篇中对自抗扰控制算法的原理及扩张状态观测器的参数整定问题进行了详解.同时,提出了一种基于自抗扰控制算法的多旋翼飞行器控制系统设计方案. 在系统辨识专题中,我们提到了控制效率方程的作用 ...
- STM32实现四驱小车(五)电机控制任务——电机速度PID控制算法
目录 一. 绪论 二. 电机速度环PID原理 三. STM32使用CAN总线实现大疆M3508电机的速度闭环控制 四. UCOS-III电机控制任务的实现 一. 绪论 本文接上一篇STM32实现四驱小 ...
- pid控制算法程序c语言,PID控制算法C源码(示例代码)
#include #include //C语言中memset函数头文件 #define unsigned int uint typedefstructPID {double SetPoint; //设 ...
- 变速积分pid控制器matlab,变速积分PID控制系统设计.docx
课程设计报告 设计题目变速积分PID控制系统设计 课程名称计算机控制技术B 姓名 苏丹学号 2008100731 班级自动化0803 教师闫高伟 摘 要 错误!未定义书签. Abstract 第1章数 ...
- matlab平衡小车数学模型PID,自平衡小车控制系统设计.doc
摘要:现在随着科技的不断发展,人类的生活水平正在不断的提高,但随之而来又有许多问题,比如环境污染,交通拥堵等一系列问题.自平衡车相对于传统代步工具具有更加环保,节约空间,成本低廉等优势,许多国家都在研 ...
- Arduino毕业设计——基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现(毕业论文+程序源码)——自动驾驶小车控制系统
基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现(毕业论文+程序源码) 大家好,今天给大家介绍基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现,文章末尾附有本毕业设计的 ...
- matlab的pid控制系统设计,PID控制系统设计以及MATLAB仿真.doc
PID控制系统设计以及MATLAB仿真 PID控制系统设计以及MATLAB仿真 摘 要本文经过对温度这种常用被控参数使用PID系统构思设计,使用MATLAB完成参数的整定和仿真实验.在系统中加入干扰信 ...
- matlab 模糊pid mimo 对应,双关节机械手的模糊PID控制系统设计.doc
双关节机械手的模糊 PID 控制系统设计 摘 要 为了实现高阶.非线性.强耦合的机械手运动系统的控制,本文选用能够充分 体现机械手特性并且结构较为简单的 2 自由度机械手--双关节机械手,作为被控 对 ...
- 什么是pid控制算法_飞行控制PID算法——无人机飞控
PID控制应该算是应用非常广泛的控制算法了.小到控制一个元件的温度,大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度等等,都可以使用PID控制.这里我们从原理上来理解PID控制. PID(proportion in ...
- 基于串级 PID 控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现
1.内容简介 略 489-可以交流.咨询.答疑 2.内容说明 无人机,英文名称UAV C Unmanned Aerial Vehicle,是一种特殊的飞行器, 可以按照预先设定的轨迹进行各种运动, ...
最新文章
- 大盘点|6D姿态估计算法汇总(上)
- protocol buff
- c语言文件查找函数fread,文件函数fread
- 【Linux】一步一步学Linux——chkconfig命令(148)
- android studio如何生成混淆代码的jar
- 计算机文档vmware安装虚拟机,教你如何用VMware虚拟机安装系统.docx
- Statues(三维bfs)
- 《深入理解JVM.2nd》笔记(五):调优案例分析与实战
- threadlocal get为空_面试常见知识点:ThreadLocal
- 使用jQuery加载js脚本
- Linux下 RPM 包和Deb包的安装(代码指令+案列)
- Windows10 热点(WIFI)配置教程
- android adb复制粘贴工具
- 43_并发编程-管道
- 天梯赛L2-6 树的遍历
- mapboxgl 互联网地图纠偏插件(三)
- 聊点高考往事和驾照科目二考试(r12笔记第86天)
- python stdin stdout_Python子进程:给出stdin,读取stdout,然后给出更多stdin
- 跟上学期给我们带过课的那个夹克男一样
- 语音识别开发---基于科大讯飞开放平台
热门文章
- 八大算法思想(一)------------------枚举算法
- dubbo源码解析-cluster
- 真win10官方原版ISO下载方法
- UCF101数据集提取帧+TDN部署(Anaconda+Python3.7+Pytorch)
- matlab简单函数画图例题,Matlab(十) 简单的函数画图
- 考研-高等数学(数学一)目录整理
- QCC3005 控制AMP_Mute的管脚配置问题
- GIS520论坛,GIS专业资源下载!
- ACM竞赛入门,从零开始
- matlab单元刚度矩阵,求助:关于有限元三角形单元合成总刚度矩阵怎么处理